es contar con un enlace que preserve los estados de polarización para su uso en unsistema de distribución cuántica de claves. El esquema es capaz de generar los cuatro estados de polarizaciónlineales generadores de dos bases conjugadas: una corresponde a las direcciones definidas por un separador dehaz polarizante integrado a fibra, ubicado en un extremo del enlace y la otra a la base conjugada lineal.Posteriormente y en forma activa compensa los cambios de la birrefringencia del canal inducidos por variacionestérmicas o mecánicas inducidas por el entorno, que naturalmente deterioran la elección inicial de bases entiempos del orden de algunos minutos en enlaces subterráneos o submarinos. Se muestran resultados delfuncionamiento del sistema en régimen de detección de luz intensa con fotodiodos en modo fotoconductivo, yresultados preliminares en régimen de fotoconteo, utilizando un módulo de conteo de fotones. Palabras clave: estabilización activa, polarización, fibras ópticas, distribución cuántica de claves. In this work we report the development of an active polarization stabilization loop of a single mode fiber opticallink, based on two voltage-driven polarization controllers, and we study its performance. The goal is to obtain apolarization preserving channel for arbitrary polarization states, to establish a polarization-encoded quantum keydistribution protocol. The system is able to generate four linear polarization states, corresponding to twoconjugate linear bases: one of the basis corresponds to the polarization directions defined by an in-line polarizingbeamsplitter placed at the end of the link, while the other corresponds to the conjugate (linear) basis. Followingthis initial operation, the system actively compensates for the birefringence changes of the channel that aremechanically and thermally induced by the environment, which have a detrimental effect on the initial baseselection in temporal scales on the order of a few minutes. We show results of the system operating under theintense light regime using photodiodes in photoconductive mode, as well preliminary results in the photoncounting regime. Keywords: active stabilization, polarization, optical fiber link, quantum key distribution.
es contar con un enlace que preserve los estados de polarización para su uso en unsistema de distribución cuántica de claves. El esquema es capaz de generar los cuatro estados de polarizaciónlineales generadores de dos bases conjugadas: una corresponde a las direcciones definidas por un separador dehaz polarizante integrado a fibra, ubicado en un extremo del enlace y la otra a la base conjugada lineal.Posteriormente y en forma activa compensa los cambios de la birrefringencia del canal inducidos por variacionestérmicas o mecánicas inducidas por el entorno, que naturalmente deterioran la elección inicial de bases entiempos del orden de algunos minutos en enlaces subterráneos o submarinos. Se muestran resultados delfuncionamiento del sistema en régimen de detección de luz intensa con fotodiodos en modo fotoconductivo, yresultados preliminares en régimen de fotoconteo, utilizando un módulo de conteo de fotones. Palabras clave: estabilización activa, polarización, fibras ópticas, distribución cuántica de claves. In this work we report the development of an active polarization stabilization loop of a single mode fiber opticallink, based on two voltage-driven polarization controllers, and we study its performance. The goal is to obtain apolarization preserving channel for arbitrary polarization states, to establish a polarization-encoded quantum keydistribution protocol. The system is able to generate four linear polarization states, corresponding to twoconjugate linear bases: one of the basis corresponds to the polarization directions defined by an in-line polarizingbeamsplitter placed at the end of the link, while the other corresponds to the conjugate (linear) basis. Followingthis initial operation, the system actively compensates for the birefringence changes of the channel that aremechanically and thermally induced by the environment, which have a detrimental effect on the initial baseselection in temporal scales on the order of a few minutes. We show results of the system operating under theintense light regime using photodiodes in photoconductive mode, as well preliminary results in the photoncounting regime. Keywords: active stabilization, polarization, optical fiber link, quantum key distribution.
es contar con un enlace que preserve los estados de polarización para su uso en unsistema de distribución cuántica de claves. El esquema es capaz de generar los cuatro estados de polarizaciónlineales generadores de dos bases conjugadas: una corresponde a las direcciones definidas por un separador dehaz polarizante integrado a fibra, ubicado en un extremo del enlace y la otra a la base conjugada lineal.Posteriormente y en forma activa compensa los cambios de la birrefringencia del canal inducidos por variacionestérmicas o mecánicas inducidas por el entorno, que naturalmente deterioran la elección inicial de bases entiempos del orden de algunos minutos en enlaces subterráneos o submarinos. Se muestran resultados delfuncionamiento del sistema en régimen de detección de luz intensa con fotodiodos en modo fotoconductivo, yresultados preliminares en régimen de fotoconteo, utilizando un módulo de conteo de fotones.
En esta Tesis se presentan los resultados de implementaciones ópticas de algoritmoscuánticos, orientadas a protocolos de comunicación y procesamiento cuántico de la información. En particular, se estudiaron algoritmos cuánticos basados en entrelazamiento y se analizó la interacción del sistema cuántico en cuestión con distintos entornos ruidosos. Estas investigaciones se realizaron en forma mixta, tanto experimental como teórica, contemplando etapas de interacción del sistema con entornos controlados. Se realizaron experimentos de teleportación cuántica y distribución cuántica de claves (QKD), con el propósito de ganar experiencia en la manipulación y control de sistemas cuánticos. A partir de estos experimentos, se demostraron algoritmos eficientes y robustos ante entornos ruidosos que generan decoherencia en el recurso entrelazado. Para llevar a cabo estos experimentos, se desarrolló una fuente de pares de fotones entrelazados en polarización, basada en el proceso de conversión paramétrica descendente. La utilización de fotones como recurso físico permite la codificación de qubits en diversos grados de libertad de los mismos. En los experimentos realizados en esta Tesis, a partir de un único fotón se codificaron dos qubits en los grados de libertad de polarización y momento lineal del mismo. Para representar la interacción del sistema con un entorno local, se utilizaron los dos grados de libertad de polarización y camino para representar el sistema y el entorno, respectivamente. Estas interacciones se producen en arreglos experimentalesbasados en óptica lineal. Los arreglos experimentales diseñados e implementados permitieron un estudio versátil de los distintos protocolos propuestos, y un control sistemático de los entornos. Se estudiaron las condiciones para las cuales la dinámica del sistema era robusta frente al ruido y la acción del mismo sobre el desempeño de estos protocolos. En particular se realizó un estudio de la eficiencia del protocolo de teleportación bajo distintos tipos e intensidades de interacción con un entorno, pudiendo obtener condiciones para las cuales el sistema presenta baja sensibilidad a ciertos tipos de ruido. Asimismo, para el caso de distribución cuántica de claves, la interacción del sistema con el entorno nos permitiómodelar la acción de un espía y estudiar la seguridad de protocolos de QKD. La evolución de los sistemas cuánticos inducida por la interacción con entornos locales genera decoherecia, afectando el grado de entrelazamiento inicial y su utilización como recurso cuántico. Se estudiaron entonces distintas condiciones de ruido cuántico y su efecto sobre el entrelazamiento de un sistema, obteniendo una relación entre la "muerte del entrelazamiento" y canales efectivos capaces de romper completamente el entrelazamiento, para sistemas de dos qubits. Estos resultados permitieron anticipar qué estados pueden sufrir muerte del entrelazamiento o no para una dada evolución. Conocer de antemano el estado inicial y/o el canal cuántico que afecta el recurso entrelazado permite elegir demanera óptima los parámetros necesarios para un procesamiento cuántico eficiente de la información. La base de todos los experimentos realizados es una fuente de pares de fotones entrelazados y un arreglo óptico confiable y versátil basado en óptica lineal. El control sobre los estados fotónicos generados se realiza interferométricamente y en polarización. El dominio de estas técnicas de control de estados cuánticos es un resultado en sí mismo y el arreglo experimental desarrollado se presenta como una plataforma robusta para el estudio de la dinámica de procesos cuánticos. A modo de síntesis, entendemos que en el desarrollo de esta Tesis de Doctorado secumplieron los dos objetivos propuestos: por un lado estudiar la influencia de procesos de decoherencia e interacción con entornos en la eficiencia de algoritmos de información cuántica y por otro desarrollar herramientas ópticas para el estudio e implementación eficiente de estos algoritmos.
La distribución de clave cuántica es en la actualidad una alternativa para la encriptación de mensajes, que promete una gran utilidad y seguridad a la hora de encriptar respecto a los métodos tradicionales de encriptación de clave pública y clave privada. Para generar estas claves se usan fotones los cuales se propagan en canales cuánticos. Muchos de los métodos usan fotones polarizados, por lo que medios de propagación despolarizantes (como serı́an algunos tipos de fibras ópticas) son un problema que impide la transmisión de estas claves. En este trabajo utilizamos la despolarización de un haz parcialmente coherente mediante placas de onda (retardadores lineales) en el canal cuántico lo que induce una despolarización en el haz durante la propagación de la clave, esta despolarización impide el espionaje en el canal puesto que no se pueden llegar a determinar los estados de polarización de los qubits generales, la clave la recuperamos al repolarizar con un sistema de placas de onda pudiendo ası́ generar una clave de manera más segura en comparación a métodos que evitan la despolarización.
El presente trabajo aborda el desafío de la seguridad en la transmisión de información, ante la inminente aparición de computadores cuánticos capaces de vulnerar los algoritmos criptográficos clásicos. Se implementó un sistema experimental de distribución cuántica de claves basado en el protocolo BB84, orientado a demostrar la factibilidad de soluciones de bajo costo para entornos académicos y de investigación. La investigación comprendió: (i) la revisión de los fundamentos teóricos de la polarización de la luz, la birrefringencia y la criptografía cuántica; (ii) el diseño de la arquitectura global del transmisor (Alice) y del receptor (Bob), integrando elementos ópticos como láminas de onda, diodos láser, filtros atenuadores y detectores de avalancha; y (iii) el desarrollo de la lógica de control y sincronización mediante FPGA y microcontroladores, con interfaz web para monitoreo en tiempo real. Además, se exploraron alternativas de control automatizado de la polarización, como uso de cristales líquidos y láminas de media onda, optando por la fabricación un rotador de polarización motorizado que reemplaza la rotación manual de la lámina, disminuyendo los tiempos de ajuste e incrementando la estabilidad del sistema. Las pruebas experimentales confirmaron la correcta generación y detección de los cuatro estados de polarización requeridos por BB84, así como la obtención de claves válidas tras los procesos de depurado y reconciliación. Los resultados obtenidos demuestran la viabilidad de implementar distribución cuántica de claves con componentes comerciales accesibles y sientan las bases para futuras investigaciones en criptografía cuántica aplicada
En esta tesis doctoral estudiamos el fenomeno de la polarizacion para campos cuanticos. En el caso de campos clasicos el estado de polarizacion es elegantemente visualizado por medio de la esfera de Poincare, y la polarizacion se cuantifica por medio de los parametros de Stokes. Estos son cantidades medibles que permiten la ordenacion de los estados de la luz segun su grado de polarizacion. Hasta cierto punto, este formalismo es extensible al caso cuantico, donde se definen los operadores de Stokes, cuyos valores esperados coinciden con los parametros de Stokes. Por analogia con el caso clasico, en el cual el grado de polarizacion se define como la longitud del vector de Stokes, podriamos definir en optica cuantica el grado de polarizacion de esta misma forma sustituyendo los parametros de Stokes por el valor promedio de los operadores de Stokes. Sin embargo, esta definicion tiene importantes inconvenientes. Se trata de una cantidad clasica que no distingue entre campos cuanticos con significativas diferencias en cuanto a su polarizacion. La apreciacion de los sutiles efectos que surgen en el mundo cuantico requiere del escrutinio de las fluctuaciones de polarizacion de mayor orden (mas alla de las correlaciones de segundo orden en los campos que son las unicas tenidas en cuenta en el tratamiento estandar de la polarizacion en optica clasica). La forma mas inmediata de conseguir esto es expandiendo el sector de polarizacion del estado (la parte del operador densidad que es accesible mediante medidas de polarizacion) en multipolos. Una vez hecho el desarrollo en multipolos, vemos como estos estan relacionados con las cantidades medibles en el laboratorio. La distribucion de probabilidad para estos multipolos proporciona asi una informacion completa sobre las propiedades de polarizacion de cualquier estado y, en terminos de estos, proponemos una medida adecuada para la evaluacion cuantitativa de las fluctuaciones de la polarizacion. En particular, resulta conveniente la introduccion de lo que denominamos distribucion acumulativa, que contiene la informacion de polarizacion hasta el orden M. Es remarcable que, dentro de un subespacio con un numero definido de fotones, los estados coherentes de SU(2) son los estados que alcanzan el valor maximo de la distribucion acumulativa para cualquier orden M. El caso contrario en el que esta distribucion se anula hasta dicho orden es el de los estados despolarizados a M orden. Existe un amplio consenso en considerar los estados coherentes como los estados con propiedades mas clasicas. Es irresistible preguntarse por los estados que minimizan esta distribucion acumulativa, ya que estos estados son lo opuesto a los estados coherentes de SU(2) y, por tanto, son los estados mas no-clasicos permitidos por la teoria cuantica. En esta tesis calculamos esos estados, a los que denominamos Reyes Cuanticos, por medio de metodos computacionales que hacen uso de las bases de Grobner. Ademas, empleamos la representacion de Majorana para obtener una valiosa imagen geometrica de estos estados. Mientras la representacion de Majorana para un estado coherente de SU(2) corresponde a un unico punto (degenerado) en la esfera unidad, los Reyes Cuanticos estan representados por constelaciones de Majorana con los puntos situados de una forma muy simetrica alrededor de la esfera. Estudiamos las relaciones entre estas constelaciones de Majorana y los t-disenos esfericos. La evidencia numerica nos hace conjeturar que el maximo orden de despolarizacion posible para un estado de N fotones coincide con el grado t de un t-diseno esferico optimo con N puntos. Finalmente, estudiamos las posibles aplicaciones de estos estados extremos con especial atencion a su utilidad en metrologia cuantica.
Las redes ópticas con capacidades del orden de los terabits por segundo permiten brindar múltiples servicios a los usuarios, por lo cual se han convertido en la columna vertebral de los sistemas de telecomunicaciones modernos y deben garantizar y preservar la confidencialidad, disponibilidad e integridad de los datos, es decir, la seguridad, ya que soportan un gran flujo de información, en su mayoría de carácter personal y privado. En lo referente a la confidencialidad se ha encontrado que gran parte de los esquemas convencionales de cifrado pueden ser bastante vulnerables ante los avances en computación cuántica, en consecuencia se da la aparición de nuevos métodos y esquemas basados en las potencialidades del mundo cuántico. Con base al nuevo enfoque en la seguridad de los sistemas, este trabajo de investigación considera la descripción de un sistema de distribución de clave cuántica basado en la codificación en dos bases mutuamente imparciales utilizando la coherencia temporal de una fuente de luz, introduciendo un retardo óptico mayor que el tiempo de coherencia de la fuente, entre los trenes de ondas emitidos y los modos de momento angular orbital descritos por el término de fase , de modo que se logra una mayor capacidad de bits por fotón frente a esquemas convencionales y se obtiene una mayor resistencia contra los ataques por interceptación de canal por parte del sistema como se evidencia en los resultados obtenidos en simulación mediante el método de Montecarlo. Adicionalmente, se presentan los resultados experimentales asociados a algunos de los principales componentes del sistema de comunicación propuesto como punto de partida para una futura implementación. * Trabajo de maestría. ** Facultad de ingeniería Físico-Mecánicas. Escuela de Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones. Maestría en Ingeniería de Telecomunicaciones. Director: Ernesto Aguilera Bermúdez, Ph.D. en Ingeniería. Co-director: Yezid Torres Moreno, Dr. Óptica y procesamiento de